Specifieke warmtecapaciteit aluminiumoxide

Aluminiumoxide technische keramiek wordt het meest gebruikt vanwege de superieure prestaties tegen een aantrekkelijke prijs. Aluminiumoxide heeft een uitstekende specifieke warmtecapaciteit en is verkrijgbaar in verschillende kwaliteiten.

Dit artikel onderzoekt de invloed van aluminiumoxide nanodeeltjes (NP's) op de afzonderlijke hydrofobiciteitscoëfficiënten (SHC's) van gesmolten zoutgebaseerde nanovloeistoffen. Experimentele gegevens toonden aan dat SHC's afnamen naarmate zowel de grootte als de concentratie van de NP's afnam; verder zijn er theoretische voorspellingen voorgesteld die deze experimentele resultaten ondersteunen.

Thermodynamische eigenschappen

Aluminiumoxide is een van de meest gebruikte technische keramieken en staat bekend om zijn uitstekende thermische, corrosie- en slijtagebestendige eigenschappen. Technisch fijnkorrelig aluminiumoxide biedt een hogere mechanische sterkte en druksterkte dan elke andere oxide keramiek; daarnaast heeft het een lage diëlektrische constante en chemische inertie waardoor het geschikt is voor ruwe omgevingen.

Toch blijven de thermodynamische eigenschappen slecht begrepen; door de hoge soortelijke warmte is het bijvoorbeeld moeilijk om snel af te koelen. Daarom is het begrijpen van de thermodynamische eigenschappen van vitaal belang bij het gebruik van aluminiumoxide in verschillende toepassingen; een manier om dit te doen is het meten van de entropie van de standaardtoestand en de vrije energie van Gibbs, zoals hieronder getoond.

Thermodynamische gegevens over aluminiumoxide kunnen worden gebruikt om de enthalpie van verdamping en entropie van kristallisatie te berekenen, wat informatie van onschatbare waarde oplevert bij het ontwerpen van processen waarvoor het materiaal nodig is of bij het vergelijken van de prestaties van verschillende producten. De enthalpie van verdamping voor aluminiumoxide monsters hangt af van de temperatuur, druk en dichtheid - deze kan worden bepaald uit de temperatuurafhankelijkheid van de dampdruk en enthalpie afgeleid door Poisson-vergelijking in cilindrische volumes op te lossen voor monsters met een vergelijkbare geometrie als hier gevonden.

Deze formule kan worden gebruikt om de enthalpie van verdamping van vaste monsters te berekenen op basis van temperatuur- en drukgegevens, hoewel het belangrijk is om te onthouden dat monsters met een groot oppervlak kunnen resulteren in hogere enthalpie van verdamping dan hun volumetrische equivalenten.

Om de enthalpie van verdamping te berekenen, moet er rekening worden gehouden met de temperatuur, omdat de waarde afhankelijk is van temperatuurschommelingen; de waarde neemt namelijk toe bij hogere monstertemperaturen. Daarom is het cruciaal dat metingen voor zowel soortelijke warmte als enthalpie worden uitgevoerd bij vergelijkbare temperaturen.

Thermodynamische gegevens van aluminiumoxide kunnen verkregen worden met een adiabatische calorimeter of door een druppel in een Bunsen-ijs-calorimeter te laten vallen en de entropie in de standaardtoestand met een van beide technieken te meten. Zoals te zien is in figuur 4, neemt de entropie in de standaardtoestand toe met toenemende temperatuur en bereikt de hoogste waarde bij 14 K.

Thermische geleidbaarheid

Warmtegeleiding meet hoe gemakkelijk warmte zich door materialen verplaatst. Deze eigenschap wordt bepaald door interacties tussen moleculen in een materiaal en hoe ze zich daarbinnen bewegen, de structuur en rangschikking van het materiaal die de warmtegeleiding beïnvloeden en de gebruikte meettechnieken. Aluminiumoxide heeft een van de hoogste warmtegeleidingsvermogens onder de technische keramieksoorten - waardoor het een uitstekende kandidaat is voor gebruik in schuurmiddelen en vuurvaste toepassingen.

De thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide wordt bepaald door de moleculaire rangschikking en de lengte van de weg waar warmte doorheen moet, wat weer afhangt van de temperatuur. Lagere temperaturen leiden meestal tot een hoger geleidingsvermogen, terwijl de structuur kan worden veranderd door manipulatie; onzuiverheden in aluminiumoxide kunnen bijvoorbeeld invloed hebben op het geleidingsvermogen, omdat ze lagere waarden veroorzaken dan zuivere vormen.

De grootte speelt ook een rol in de thermische eigenschappen van aluminiumoxide; kleinere korrels hebben de neiging minder warmtegeleiding te vertonen dan hun grotere tegenhangers omdat ze meer oppervlak hebben dat met elkaar in wisselwerking staat en energie uitwisselt met hun omgeving. Grotere korrels hebben echter de neiging om geïsoleerd te blijven en wisselen niet gemakkelijk energie met elkaar uit.

Warmtegeleiding kan worden beïnvloed door zowel atomaire en moleculaire interacties als de dichtheid van het materiaal. Een metaallegering heeft een lagere warmtegeleiding door de trillingen van atomen in de vaste stof die de gemiddelde vrije weg voor vrije elektronen binnen de legering verkleinen, waardoor ze efficiënter warmte-energie verliezen dan de zuivere metalen tegenhanger.

De specifieke warmtecapaciteit van aluminiumoxide - of hoeveel energie er nodig is om de temperatuur met een bepaalde hoeveelheid te laten stijgen - heeft invloed op de warmtegeleiding, want een hogere specifieke warmtewaarde betekent dat er meer energie nodig is om de temperatuur te laten stijgen.

Aluminiumoxide kan aanzienlijk variëren in specifieke warmtecapaciteit, afhankelijk van de brandtemperatuur en het watergehalte van het materiaal, waarbij korund (a-Al2O3) de hoogste specifieke warmtecapaciteit van alle vormen heeft. G-Al2O3 fasen hebben over het algemeen een lagere specifieke warmtecapaciteit vergeleken met hun tegenhangers, wat tot uitdrukking komt in hun lagere warmtegeleiding.

Corrosiebestendigheid

Aluminiumoxide is een slijtvast technisch keramisch materiaal met uitstekende eigenschappen op het gebied van corrosiebestendigheid, thermische stabiliteit en temperatuurbestendigheid. Bovendien is aluminiumoxide verkrijgbaar in verschillende vormen, maten en kwaliteiten om te voldoen aan specifieke toepassingsbehoeften.

Koper of andere metalen kunnen de corrosiebestendigheid van aluminiumoxide helpen verbeteren door ze toe te voegen aan de matrix, waardoor kristalstructuren worden verkleind en de vorming van meer beschermende lagen wordt bevorderd. Niobium, titanium en vanadium kunnen ook worden toegevoegd voor extra verbetering van de corrosiebestendigheid.

Een andere manier om de corrosiebestendigheid van aluminiumoxide te verhogen is door het te integreren in andere legeringen. Eenmaal gecombineerd met andere elementen, zoals nikkel of titanium, hebben aluminiumoxidevormende austenitische roestvaste staalsoorten (AFA SSs) een hogere temperatuursbestendigheid dan solo [1]. Ze zijn bijvoorbeeld bestand tegen temperaturen van meer dan 750 graden Celsius zonder de levensduur van kruipbreuk te beïnvloeden [1].

Niobium kan de corrosieweerstand van aluminiumoxide in agressieve omgevingen aanzienlijk verbeteren. Als het aan een aluminiumoxide matrix wordt toegevoegd, vormt het niobiumcarbide (NbC), dat bestand is tegen hoge temperaturen. Bovendien helpt het toevoegen van niobium de microstructuur van aluminiumoxide te stabiliseren en schade tijdens sinterprocessen te voorkomen.

Deze methode kan worden gebruikt om legeringen op basis van aluminiumoxide te produceren met wenselijke eigenschappen voor verschillende toepassingen, waaronder auto's, chemische verwerking, elektrische en elektronische toepassingen.

Aluminiumoxide heeft bewezen zeer goed bestand te zijn tegen corrosie veroorzaakt door corrosieve waterige oplossingen, het weerstaat aanvallen van zwavelzuur en fosforzuur, evenals sulfaat- en chloridezouten, terwijl het ongevoelig is voor organische zuren zoals citroenzuur. Door deze eigenschappen is aluminiumoxide een ideaal materiaal voor de productie van gasvormige waterstofbrandstoffen; verder wordt het op grote schaal gebruikt in superkritische waterproductieprocessen als een uitstekend keuzemateriaal.

Smeltpunt

Smeltpunten, of overgangstemperaturen, van stoffen zijn een integraal onderdeel van productietoepassingen, omdat ze bepalen of vaste stoffen beginnen om te zetten van vaste naar vloeibare vorm. Aluminium heeft met 1220 F tot 660 C het op vijf na hoogste smeltpunt onder de metalen; dankzij dit hoge smeltpunt kan aluminium zware omstandigheden verdragen zonder te vervormen of broos te worden.

Aluminiumoxide heeft een extreem hoog smeltpunt vanwege de energie die nodig is om de covalente bindingen tussen aluminium- en zuurstofatomen te verbreken. Dit betekent bovendien dat het zijn structurele integriteit behoudt bij zeer hoge temperaturen, waardoor het een uitstekend vuurvast materiaal is dat gebruikt wordt om ovens en ovens te bekleden.

Het smelten van aluminiumoxide produceert een wit, gesmolten metaal met een extreem gladde textuur, perfect om in verschillende vormen te gieten en in grote platen of blokken voor verschillende toepassingen. Het smeltproces vereist echter uitgebreide kennis omdat chemische onzuiverheden in de smelt de eigenschappen, waaronder het smeltpunt, kunnen veranderen. Daarom is het van cruciaal belang dat de productieprocessen nauwgezet worden beheerd en dat de smeltkwaliteit wordt bewaakt om onzuiverheden op te sporen voordat er wordt gegoten.

Chemische onzuiverheden kunnen het smeltpunt van aluminiumoxide beïnvloeden, maar het smeltpunt kan ook variëren door de samenstelling. Factoren die het smeltpunt beïnvloeden zijn onder andere het percentage aluminiumoxide, de g-fasefractie en het poreusheidsgehalte; het toevoegen van deze extra componenten kan het smeltpunt aanzienlijk verhogen in vergelijking met het gebruik van alleen zuiver aluminiumoxide als productiemateriaal.

Naast variaties in de thermodynamische en energetische eigenschappen, hangt de warmtecapaciteit van aluminiumoxide ook af van hoe het gefabriceerd wordt. Experimenten hebben aangetoond dat de warmtecapaciteitfuncties van monsters die gemaakt zijn met verschillende aluminiumalkoxiden, gecalcineerd bij verschillende eindtemperaturen, significant kunnen verschillen - dit onderstreept hun complexiteit als metingen en het belang van rigoureuze calorimetrische praktijken tijdens het maken.